基于中弧面的模具型腔高质量重构方法研究硕士研究生学位论文.doc
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1、硕 士 学 位 论 文(学 位 研 究 生)题目 基于中弧面的模具型腔高质量重构方法研究Research of Turbine Blade Mould Cavitys High Quality Reconstruction Based on Mean SurfaceByXXXXA Thesis Submitted to the Graduate Faculty of theNorthwestern Polytechnical UniversityIn Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree ofMASTER OF ENGIN
2、EERINGInAeronautical and Astronautical Manufacturing EngineeringZHOU Limin 2013Supervisor: Prof. XXXSchool of Mechatronic EngineeringNorthwestern Polytechnical University March,201XXian,Shaanxi,P. R. China西北工业大学硕士学位论文 中文摘要摘 要航空发动机涡轮叶片需要承受高温、高压等恶劣的工作环境,对其成型精度和质量有严格的要求,是研制发动机的关键。目前,航空发动机涡轮叶片主要采用无余量熔模精
3、密铸造,辅以机械加工的工艺来完成。为了提高叶片的成型精度,模具设计是关键。本文针对模具优化设计过程中长期存在的型面重构问题而展开,通过对截面参数的研究,提出了基于中弧面的模具型腔高质量重构方法,为解决涡轮叶片的“精确控形”奠定了基础。本文研究内容包括:(1)研究了叶片模具型腔重构过程中的一些主要方法和遇到的问题,提出了基于叶片设计理念的模具型腔高质量重构方法,通过截面参数进行模型重构,避免了一般重构方法中对叶片气动性能的影响。(2)基于叶片反变形的三角网格模型,提取截面线数据,并对截面线数据进行初步光顺处理,为中弧线精确提取奠定了基础。(3)研究了叶片截面参数提取技术和叶片成型过程中的变形规律
4、,提出了中弧线基于最大厚度位置的优化补偿方法。(4)提出了基于中弧面的模具型腔高质量重构的方法,通过对简单曲面的光顺重构代替复杂曲面的重构,避免了的曲面重构过程中的复杂的曲面拼接和光顺处理问题,并能有效地保证获得模具型腔的气动性。(5)提出了中弧面的光顺重构方法,采用插值和逼近相结合的拟合方法,为叶片模具型腔的重构奠定基础。关键词:模具型腔,型腔重构,中弧线,中弧面I专业排版,专业论文修改 降低论文重复率请联系Q 2861423674淘宝搜索 文天下http:/ 英文摘要AbstractAero engine turbine blade works in bad working environ
5、ment, and need to bear the high temperature, high pressure. So there is strict request for its forming precision and quality, also it is the key technology in development of engine. At present, the manufacture of aero engine turbine blade mainly adopts non-allowance precision casting, then with the
6、use of mechanical processing technology to complete it. In order to improve the turbine blade forming precision, mould design becomes the key point. According to the long existing surface smoothness reconstruction problem during the mold optimal design process, this paper puts forward the high quali
7、ty surface reconstruction method of mold cavity based on mean surface, and this laid a foundation for the turbine blade precision control.The main research content in this paper includes: (1) Study some main methods and problems in the reconstruction process of the blade mold cavity, and based on th
8、e concept of design, this paper puts forward the high quality reconstruction method which is based on the sectional parameters.(2) Based on the triangular mesh model of the blades reverse deformed model, extract its section line data, carry on the smoothing treatment to the section line data, and th
9、is lays a foundation for the mean lines accurate extraction. (3) Based on the mean line and section parameters extraction technology and deformation law in forming process, mean lines optimization method based on the maximum thickness position is put forward. (4) A smoothing reconstruction method of
10、 mold cavity is proposed based on the mean surface. Use this simple surface reconstruction to avoid the complicated surface splicing and smoothing problem in surface reconstruction process. Also this can guarantee the aerodynamic performance of turbine blade cavity.(5) The smoothing reconstruction m
11、ethod of the mean surface is proposed. With combination use of interpolation and the approximation, smoothing reconstruction is completed, and this lays a foundation for the smoothing reconstruction of mold cavity. Key words: Mold cavity, Mean line, Cavity reconstruction, mean surfaceII西北工业大学硕士学位论文
12、目录目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1引言11.2研究背景及意义11.3存在的问题21.4国内外研究现状31.4.1精密铸造技术研究现状31.4.2叶片造型设计研究现状41.4.3曲线曲面造型技术研究现状61.4.4曲面曲线光顺重构技术研究现状71.5研究内容与章节安排81.5.1课题来源81.5.2研究内容91.5.3章节安排91.6本章小结10第二章 网格模型数据预处理112.1引言112.2截面数据预处理112.2.1截面数据获取112.2.2坏点剔除142.3截面线光顺拟合202.3.1曲线拟合的基本理论202.3.2 最小二乘B样条拟合242.4本章小结2
13、6第三章 截面特征参数的提取273.1引言273.2叶片截面特征参数的定义273.3截面轮廓分离和特征参数提取283.3.1截面轮廓分离283.3.2厚度控制参数提取303.4中弧线提取方法概述313.4.1中弧线的定义313.4.2中弧线求解方法323.5中弧线提取和长度补偿353.5.1中弧线的提取353.5.2基于设计模型的中弧线补偿方法393.6本章小结41第四章 基于中弧面的型腔重构434.1引言434.2 NURBS曲面的基础理论434.2.1数学模型434.2.2NURBS曲面的插值444.2.3NURBS曲面的逼近454.3中弧面光顺建模方法454.3.1插值中弧面464.3.
14、2逼近中弧面474.4型腔重构494.4.1厚度模型建立494.4.2型线的获得504.4.3模具型腔复原514.5本章小结51第五章 功能模块开发与实例验证535.1引言535.2软件功能模块开发535.2.1VTK简介535.2.2UG二次开发简介545.2.3功能模块简介555.3实例验证605.4数值模拟验证665.5本章小结69第六章 总结与展望716.1论文工作总结716.2未来工作展望71参考文献73攻读硕士学位期间发表的论文及参与的课题76致 谢77学位论文知识产权声明书79学位论文原创性声明79IV西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1引言涡轮叶片是航空发动
15、机的关键部件,它具有内部冷却结构复杂、气动外形和叶片尺寸精度要求严格、工作条件苛刻的特点,它的作用是将高温、高压燃气热能转变为旋转运动的机械能,要求尺寸小、效率高1-3,其设计和制造质量直接影响发动机的整体性能,是发动机研制的关键。涡轮叶片的工作环境决定了其制备材料大多采用高温合金,而高温合金的机械加工性能较差,此外,为了减轻重量,空心涡轮叶片占很大的比例,为提高叶片的质量和精度,大多采用熔模精密铸造,熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度,所以可减少机械加工工作,只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量。目前国内精铸空心涡轮叶片普遍存在这成形精度较低,质量不稳定的现
16、象,空心涡轮叶片的研制成为新型高推重比发动机研制的“瓶颈”,其中模具设计是关键,近年来模具设计引起了众多的而关注,在模具反变形优化设计过程中,模具型腔的重建质量是影响模具优化设计的关键一步。1.2研究背景及意义高性能航空发动机的研制涉及众多领域的前沿关键技术,其研制水平在一定程度成为衡量一个国家航空工业水平的显著标志4-6。目前我国尚未具备自主研发和生产先进航空发动机的能力7。尤其是空心涡轮叶片的研制水平,成为制约我国新型号发动机研制的巨大障碍。20世纪90年代,国外在飞机新型动力装置的设计中,为提高推重比,普遍采用复合气膜冷却的单晶空心涡轮叶片。空心涡轮叶片8是高推重比发动机的核心,是透平机
17、械的核心部件,也是易断裂失效零件。其性能水平,是一种型号发动机先进程度的重要标志,复杂空心涡轮叶片的设计制造是目前国内公认的重大技术难题9。发动机的内部结构如图1-1所示:图1-1 涡轮发动机内部结构示意图据有关调查显示,国内一直没有解决发动机叶片的型面精度低、质量不稳、废品率很高的问题,一般的导向叶片合格率为5560%,动力叶片为2025%,其中斯贝发动机的某空心叶片合格率最高仅为28%,最差时为0%10。国外主要发动机公司均已经建立定向凝固和单晶涡轮叶片精铸生产线,其叶片单面余量已稳定在0.050.1毫米(),导向叶片达90%以上,动力叶片合格率可达70%以上,据统计,采用国内的模具和陶芯
18、时,涡轮叶片精铸成品率不到40%;而采用从国外引进的模具和陶芯,成品率可达80%以上。由此可见,精铸模具的设计是影响成品率的主要因素11。本文主要针对影响叶片成型质量的蜡模进行研究,面向目前国内研制的精铸叶片成型精度偏低、质量不稳、废品率很高的现状,针对空心涡轮叶片铸件型面的“精确控形”问题及模具优化设计的型面高质量重构问题,基于反变形优化后的网格模型进行模具型腔的高质量建模,为提高模具设计效率、减少修模次数、缩短制造周期、降低制造成本提供保障。1.3存在的问题空心涡轮叶片熔模精密铸造的基本过程为:首先,通过内型模具压制陶瓷型芯并烧结硬化;然后,使用外型模具进行陶芯与蜡模匹配压型,经过型壳制备
19、等后续工序,完成叶片铸造。通常情况下,影响空心涡轮叶片形状尺寸的因素有很多,通过对涡轮叶片铸件的测量与分析,发现精铸叶片的变形趋势具有一致性12。这说明在一定的工艺情况下,模具的设计制造技术成为影响涡轮叶片几何形状与尺寸精度的主要因素。模具型腔的优化可以有效地实现涡轮叶片的精确控形。实际生产中,由于精铸模具具有结构复杂,设计周期长、制造难度大等特点,空心涡轮叶片精铸净成型模具设计制造已成为制约我国航空发动机行业发展的“瓶颈”之一。近年来我国在空心涡轮叶片数值模拟和模具优化设计方面都取得了一定的进展,西北工业大学现代集成与制造教育部重点实验室在模具反变形优化方面取得了很大的进步,实现了非线性收缩
20、变形的位移补偿,但是由于各点变形量不一致性,反变形后的网格模型表面质量较差,进行高质量的曲面重构难度很大,通过一定的曲面光顺技术,可以得到光顺的模具型腔,但是会使模具丢失一些重要的特征信息,获得的模具很难满足叶片气动性能要求,因此如何基于反变形数据获得高质量的模具型腔的实体模型是型腔优化设计中亟待解决的问题。本文主要针对反变形优化的后的网格模型重构难题,进行模具型腔的高质量重构研究,解决反变形网格模型重构过程中气动性能差,重构质量低的问题,从而为涡轮叶片精铸模具的虚拟修模与优化设计提供有效的技术支持。1.4国内外研究现状1.4.1精密铸造技术研究现状熔模铸造的一般过程是用蜡料制成蜡模,在蜡模上
21、包覆若干层耐火涂料制成型壳,熔出蜡模后经高温焙烧即可浇铸的铸造。经过熔模铸造制得的铸件不仅精度高而且表面光洁,所以被广泛用于生产汽轮机、涡轮机的叶片或叶轮,切削刀具以及飞机、汽车和机床上的小型零件13。国外的熔模精密铸造技术发展比中国早,我国熔模铸造技术在制模、制壳、高温合金、定向凝固和检测技术等方面与国外均有很大的差距。上世纪70年代,美、英、苏等发达国家率先研究成功了高温合金近净形熔模精密铸造技术,随着后来的热等静压技术、高温合金过滤净化技术的发展使熔模铸件的冶金缺陷大大减少,性能显著提高14。20世纪90年代以来,国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现,标志着熔模铸造过程数值模拟技术
22、已完全成熟并进入实用化阶段,有相当一部分已成功地用于熔模铸造。其中,最具代表性得有AFSolid(3D)(美国)、PASSAGF/POWERCAST(美国)、MAGMA( 德国)、PAM- CAST( 法国)、ProCAST(美国)等 15。有限元仿真软件的应用,大大的缩短了试制周期,提高了铸件的成品率,节约了生产成本。但是由于数据库数据匮乏,某些材料(例如特殊合金材料和某些型壳材料)的热物理性能数据很难寻觅,图形数据文件标准化和相互交流方面存在问题,导致当前推广应用计算机仿真技术存在的问题。我国精铸业从20世纪50年代末开始,到20世纪80年代,经过近30年的发展才达到1988年的年产5万吨
23、精铸件,年产值3.3亿元人民币的水平。据分析统计2003年年产量达60万吨,为1988年年产量的12倍16。近年来,我国在熔模精密铸造在制模,制壳技术上有了很大的发展。20世纪70年代从英国成套引进斯贝MK202飞机发动机及其制造技术时获得了无余量熔模精密制造技术,并应用于航空工业17。由于航空航天企业的精密铸造受到国家的重视,进行了较大的技术改造,引进了先进的设备,制壳工艺也由原来的硅酸乙酯工艺转换为硅溶胶工艺,一些主要企业的精铸技术水平更加靠近国外先进水平。我国高温合金近净形熔模精密铸造技术是在上世纪70年代末期80年代初期形成的,早期的研究技术水平与国外同时期先进水平相当,但我国的复杂薄
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